<2024> 바이폴라전지 기술개발 현황 및 향후 전망
집전체의 양면에 같은 전극으로 구성되는 모노폴라 전극으로 이루어진 싱글 셀로 대표되는 2차전지는 모든 전극이 같은 전해질에 담가져 있고, 각 전극은 외부 연결선을 사용하여 병렬로 연결되어 많은 비활성 물질이 배터리 시스템에 통합되어 결과적으로 부피에너지밀도는 약 40%, 중량에너지밀도는 약 20%의 손실이 추정된다.
바이폴라 배터리는 전기 커넥터 및 기타 액세서리를 사용하지 않아 셀 구성과 모양이 심플하며, 배터리 부피는 전체 단위셀의 적층 두께와 단위셀의 기판 면적의 곱에 가깝고, 배터리 무게는 모든 구성 요소의 질량 합계에 가깝다. 바이폴라 배터리의 용량은 단일 단위셀의 용량과 동일하지만, 바이폴라 배터리의 출력전압은 직렬로 연결된 단위셀의 수와 각 셀의 전압의 곱에 의해 결정된다.
바이폴라 전극을 사용하는 배터리는 부피/중량 에너지밀도도 크게 증가한다. 또한 애플리케이션 중심 설계를 기반으로 배터리 모양을 쉽게 조정할 수 있어 대상 장치의 배터리 저장 공간 활용도가 극대화된다. 즉, 배터리 부피가 감소되며, BMS를 최소화할 수 있어서, 셀 외장재 사용 최소화로 에너지밀도 향상과 단가 절약을 동시에 추구할 수 있다. 이는 곧 한정된 전기차 배터리 탑재 공간에 더 많은 배터리를 탑재할 수 있게 돼 주행거리 증가로 이어질 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 따라서 바이폴라 전극의 이러한 장점은 모바일 전자 제품 및 전기 자동차에 사용되는 2차 전지 설계에 매우 매력적이다.
바이폴라 전극의 또 다른 장점은 전자 흐름이 기판에 수직적으로 이루어지며, 기판의 단면적이 크면 전류 밀도와 분포가 크게 향상된다. 따라서 바이폴라 전극을 사용하면 작동 속도가 빠른 2차 전지는 안전 문제없이 작동할 수 있다.
바이폴라 전극을 적용한 Furukawa전기의 납축전지를 시작으로 최근에 TOYOTA에서 바이폴라 Ni-MH전지를 상용화하여 Aqua HEV에 적용하였으며, ‘23년 6월 발표에서는 Volume급 EV에 바이폴라 LFP를 ‘26~’27년에 생산하고, 미래버전의 EV에는 바이폴라 Ni계 LiB를 ‘27~’28년에 생산하여 성능버전의 LiB와 비교하여 주행거리와 코스트를 향상시킨다는 로드맵을 발표한 바 있다.
최근 출시된 TOYOTA 크라운 크로스오버와 렉서스(Lexus RX)에는 기존의 Ni-MH를 개량한 바이폴라 Ni-MH가 장착되었는데, 고급 모델, 고연비 중심 모델에는 LIB를 적용해 왔던 것과 반대되는 행보로 점차 라인업 전반에 Ni-MH배터리를 확대 탑재하겠다는 의미로 해석된다.
본 보고서에서는 이제 막 적용이 시작된 바이폴라전극 개발의 역사와 지금까지의 연구개발현황 등을 수록하였고, 각 개발의 내용을 좀 더 자세하게 다루어 전체적인 현황을 쉽게 파악할 수 있도록 구성하였다.
본 보고서의 Strong Point는 다음과 같다.
① 바이폴라 전지를 둘러싼 최근의 기술 동향을 상세히 수록
② 바이폴라 전지 개발사들의 개발이력과 개발 현황을 상세히 수록
③ TOYOTA 자동차의 바이폴라 전지 개발 현황을 집중 수록
④ 바이폴라 전지의 주요 특허 분석
(바이폴라전극 개발 역사 및 주요 타임라인)
(TOYOTA 2세대 Aqua의 신모델에 탑재된 바이폴라형 Ni-MH 전지)
(2차전지의 종래형 구조와 바이폴라형 구조의 비교)
바이폴라 전고체전지를 적용하였을 경우, 전지팩 감소
목 차
1. 이차전지용 바이폴라(Bipolar)전극 10
1.1. 배터리구조 최적화 필요 10
1.2. 바이폴라 전극 12
1.3. 바이폴라 전극 개발 14
1.3.1. 바이폴라 전극 개발 역사 14
1.3.2. 무게, 크기, 비용 감소 15
1.3.2. 에너지밀도/출력밀도 향상 15
1.3.4. 바이폴라 전극 요구사항 및 단점 17
1.4. 바이폴라 전극의 응용 18
1.4.1. 바이폴라 납축전지(LAB) 18
1.4.2. 바이폴라 납축전지 개선 18
1.4.2.1. 표면 개질 19
1.4.2.2. 부식 방지 19
1.4.3. 바이폴라 납축전지 상용화 20
1.5. 바이폴라 알카리 배터리 21
1.5.1. 바이폴라 Ni-MH 21
1.5.2. 바이폴라 Al 및 Zn 배터리 22
1.6. 바이폴라 리튬이온전지(LIB) 22
1.7. 바이폴라 post-LiB(Li-S, Na-ion) 24
1.8. 과제 및 전망 25
1.8.1. 기판 재료 26
1.8.2. 전극 재료 26
1.8.3. 전해질 재료 27
1.8.4. 엔지니어링 기술 27
1.8.5. 바이폴라 전극 전망 27
1.8.6. 실용화에의 허들 28
1.8.7. 기타 바이폴라 전지 29
1.8.8. 바이폴라 전고체전지 31
2. 바이폴라 전고체전지: 설계, 제작 및 전기화학 33
2.1. 개요 33
2.1.1. 바이폴라 전고체전지 장점 34
2.1.2. 바이폴라 배터리의 기술적 과제 34
2.1.3. 바이폴라 재료의 요구사항 34
2.2. 바이폴라 플레이트 35
2.3. 바이폴라 전고체전지 제작 및 전기화학적 특성 37
2.3.1. Free standing lamination 바이폴라 전고체전지 37
2.3.2. 프린팅 바이폴라 전고체전지 40
2.4. 결과 및 향후 전망 43
3. 바이폴라 전고체전지: 에너지밀도 설계 Toolkit 45
3.1. 개요 45
3.2. 결과 및 토론 46
3.2.1. SolidPAC demo 46
3.2.2. 바이폴라 적층 및 기존 적층 비교 49
3.2.3. 민감도 분석 50
3.2.4. 실험 데이터 분석 51
4. 바이폴라 전고체전지: 준고체 전해질 기반 54
4.1. 준고체 Li-Glyme complex 54
4.2. 바이폴라 전고체 리튬전지 평가 54
4.3. 바이폴라 전고체 리튬전지 SEM 분석 56
4.4. 결론 57
5. 바이폴라 전고체전지: 황화물계 전해질 기반 58
5.1. 개요 58
5.2. 결과 및 토론 59
5.2.1. 양극층 제조 및 특성 60
5.2.2. 음극층 제조 및 특성 61
5.2.3. 모노셀 제조 및 특성 63
5.2.4. 바이폴라 적층 전고체전지 특성 64
5.2.5. 바이폴라 전고체전지 에너지밀도 비교 65
5.3. 결론 67
6. 바이폴라 전고체전지: Multistage printing 제조 기반 68
6.1. 개요 68
6.2. Introduction 68
6.3. 실험 69
6.3.1. SWCNT 코팅 전극활물질 제조 69
6.3.2. Printed 바이폴라 LIB 제작 70
6.4. 결과 및 토론 70
6.4.1. 고체 겔복합전해질(GCE) 71
6.4.2. Printed 전극의 제작 및 특성 72
6.4.3. GCE 및 전극 페이스트 컨트롤 75
6.4.4. 기계적 유연성 및 열적 안정성 77
6.5. 결론 78
7. 바이폴라 전고체전지: FeOx-LFBO 음극 적용 79
7.1. 개요 79
7.2. Introduction 79
7.3. 실험 결과 82
7.3.1. FeOx-LFBO 합성 및 특성 82
7.3.2. FeOx-LFBO 음극의 전기화학적 성능 83
7.3.3. 메커니즘 분석 86
7.3.4. Cu-free LIB의 전기화학적 성능 88
7.4. 결론 90
8. 바이폴라 LFP/LTO 전지: Micro/Mild Hybrid용 LIB 92
8.1. 개요 92
8.2. Introduction 92
8.3. 실험 93
8.4. 결과 및 논의 95
8.4.1. LFP, LTO 95
8.4.2. 15Wh 바이폴라 배터리 96
8.4.3. 안전성 98
8.5. 결론 99
9. 바이폴라 Ni-MH 배터리 100
9.1. 개요 100
9.2. 배터리 설계 100
9.3. 웨이퍼 셀 적용 101
9.4. HEV에의 적용 102
9.5. PHEV에의 적용 103
9.6. Utility에의 적용 106
9.6.1. 고출력 바이폴라 배터리 109
9.6.2. 고에너지 바이폴라 배터리 111
10. 바이폴라 고전압 Na-ion전지 113
10.1. 개요 113
10.2. Introduction 113
10.2.1. 모노폴라 48V 전지 시스템 114
10.2.2. 바이폴라 전지 상업화 이슈 115
10.3. 실험 및 방법 116
10.4. 결과 116
10.4.1. 액체 전해질 적용 바이폴라 전지 116
10.4.2. nS mP(직렬-병렬) 바이폴라 전지 118
10.4.3. 5V 이상 Na-ion 바이폴라 전지 120
10.4.4. 맞춤형 셀 전압 프로파일 설계 122
11. 바이폴라 전수지 전지(All polymer battery) 123
11.1. 전수지 전지의 특징 123
11.1.1. 전수지 전지의 장점 125
11.1.2. 전수지 전지의 단점 125
11.1.3. 전수지 전지의 에너지밀도 125
11.1.4. 전수지 전지 업체 126
11.1.4.1. 가와사키중공업 126
11.1.4.2. JFE 화학 127
11.1.4.3. Teijin 127
11.1.4.4. 군제/산요화성공업 127
11.2. 전수지 전지 제조방법 128
11.3. 전수지 전지 특성 130
11.3.1. 적층에 의한 전압 상승 130
11.3.2. 건조공정 불필요 130
11.3.3. 생산스피드 향상 131
11.4. 전수지 전지 기본 구조 132
11.5. 직렬 적층 바이폴라 전수지 전지 132
11.6. 안전성 향상된 바이폴라 전수지 전지 133
11.7. 코어 쉘형 전극 재료 134
11.8. APB사의 바이폴라 전수지 전지 135
11.9. 전수지 전지의 향후 전망 137
12. 바이폴라 납축전지(Furukawa電工) 138
12.1. 세계 최초의 실용화 138
12.1.1. 바이폴라형 축전지의 구조와 과제 138
12.1.2. 메탈/폴리머 소재를 통한 과제해결 139
12.2. 장주기용 전력 저장용 ESS 전지 140
13. 바이폴라 리튬전지(Fraunhofer IKTS) 143
13.1. 개요 143
13.2. 바이폴라 전지 개념 143
13.3. 습식공정 전극 제조 144
13.4. 분리막 코팅 146
13.5. 바이폴라 셀 및 스택 147
13.6. 바이폴라 전지용 roll clad foil(SCHLENK) 148
14. 바이폴라 Ni-MH 전지(TOYOTA) 151
14.1. 바이폴라 전지의 특징 153
14.2. 새로운 배터리 기술 154
14.3. TOYOTA의 배터리 혁신 156
14.4. TOYOTA의 타임라인 158
14.5. TOYOTA의 제조 프로세스 159
15. 바이폴라 전지 특허 162
15.1. TOYOTA: 바이폴라 Ni-MH 전지 162
15.2. 현대자동차: 바이폴라 전고체전지 168
15.3. TOYOTA: 바이폴라 전고체전지 175
15.4. SDI: 바이폴라 전극 및 제조 180
15.5. 엘지화학: 바이폴라 전지 184
15.6. LGES: 바이폴라 리튬이차전지 187
15.7. 한국생산기술연구원: 바이폴라 전고체 전지 192
15.8. ProLogium: 수평 복합 전기 공급 구조 197
References 201